超聲波焊接工藝介紹

2021-07-21 14:11

超聲波焊接工藝自上世紀 50 年代出現以來，便得到了迅速地發展。它被廣泛地應用於同種或異種金屬、金屬陶瓷、半導體、複合材料、塑料等材料之間的連接。超聲波焊接是一種無需添加填充金屬及焊料的固態焊接工藝，在焊接過程中，原子之間的結合與擴散都發生在固態與半固態狀態下，因而其是一種“冷擴散”連接技術，它的主要特點在於能夠以較低的加熱溫度和較小的變形實現材料的連接，且焊接溫度一般都不超過材料的熔點。

超聲波焊接原理

超聲波焊接的原理是將由超聲發生器產生的20kHz(或15kHz)高壓、高頻信號經換能係統將其轉換為高頻機械振動施加到工件上,通過工件表麵及內在分子間的摩擦使接口的溫度升高,當溫度達到工件自身的熔點時,接口處迅速熔化,繼而填充於接口間的空隙,當振動停止,工件同時在一定的壓力下冷卻定形,便形成完美的焊接。

超聲波焊接特點

超聲波焊接是一種較新的焊接工藝,由於其具有如下諸多優點,因此在各工業領域的應用日漸廣泛。
(1) 可焊接的材料範圍廣,可用於同種金屬材料,特別是高導電,高導熱性的材料(如金、銀、銅、鋁等)和一些難熔金屬的焊接;也可用於性能相差懸殊的異種金屬材料(如導熱,硬度、熔點等),金屬與非金屬、塑料等材料的焊接;還可以實現厚度相差懸殊以及多層箔片等特殊結構的焊接。
(2) 焊件不通電,不需要外加熱源,接頭中不出現宏觀的氣孔等缺陷,不生成脆性金屬化合物,不會出現像電阻焊所容易出現的熔融金屬噴濺等現象。
(3) 焊縫金屬的物理和力學性能不發生宏觀變化,其焊接接頭的靜載強度和疲勞強度都比電阻焊接頭高,穩定性好。
(4) 被焊金屬表麵氧化膜或塗層對焊接質量影響較小,焊前對焊件表麵的處理簡單。
(5) 形成接頭所需電能少,僅為電阻焊的5%;焊件變形小。
(6) 不需要添加任何粘結劑﹑填料或溶劑,具有操作簡便,焊接速度快,接頭強度高、生產效率高等優點。
超聲波焊接的主要缺點是受現有設備功率的限製,因而焊件的厚度不能太厚,接頭形式隻能采用搭接接頭,尚無法實現對接接頭的焊接。

超聲波焊接方式

超聲波按連接方式可分為超聲波焊接、超聲波鉚接、超聲波點焊、超聲波埋植樹、超聲波成形、超聲波切除六種。

超聲波焊接工藝的分類

根據超聲波頻率產生的高頻振動能傳入焊接工件方向，可將超聲波焊接分成兩種基本類型如圖1所示。第一種基本類型是超聲波頻率產生的彈性振動能從切向傳遞到焊接工件表麵，使工件相互接觸的表麵間產生相對摩擦並伴隨局部溫度的升高，這一類型的超聲波焊接主要適用於金屬材料的焊接。第二種基本類型是超聲波頻率產生的彈性振動能從垂直於工件方向傳入焊接工件，這一類型的超聲波焊接主要適用於塑料的焊接。

圖 1 超聲波焊接的兩種基本類型
注：D—振動方向； 1 —聚能器； 2 —上聲極； 3 —焊件； 4 —下聲極

超聲波焊接過程中，上下接頭必須相互搭接，根據焊接模具接頭形式的不同，又可分為點焊、縫焊、環焊和線焊四種形式。不同形式的超聲波焊接得到的焊縫也有所不同，對應的焊縫分別為焊點、密封連續焊縫、環焊縫及平直連續焊縫。以下為幾種超聲波焊接的簡單介紹：

（1）點焊超聲波點焊過程中，工件是在上下聲極緊壓狀態下完成焊接的，每焊接一次形成一個焊點，故稱之為點焊。點焊按能量傳遞方式的不同，可分為單側式和雙側式。超聲波彈性振動能隻從上聲極導入焊接工件稱之為單側式點焊，超聲波彈性振動能分別從上下兩個聲極同時導入焊接工件稱之為雙側式點焊。雙側式點焊導入的振動方向既可以是平行的，也可以是相互垂直的，上下聲極導入的頻率與功率亦可不同。目前生產應用中，單側式點焊最為普遍。按振動係統分類，超聲波點焊分為縱向振動係統、輕型振動係統和彎曲振動係統三類。其主要的區別在於電焊機采用的功率大小不同，縱向振動係統采用小功率電焊機，彎曲振動係統采用大功率電焊機，輕型彎曲振動係統介於兩者之間，采用的是中小型電焊機。

（2）環焊利用超聲波環焊焊接工件，可以形成一條密封的焊縫，焊縫的形狀根據工藝要求可以是正方形、矩形或者菱形等各種形狀，一般以圓環形居多。環焊采用的振動係統是與點焊完全不同的扭轉振動係統，焊接時焊盤扭轉，焊接振幅沿聲極軸線呈對稱性分布，焊盤邊緣地區振幅最大，軸心區無振幅。此焊接方法常用於封裝微電子器件。

（3）縫焊縫焊的能量振動方式與點焊類似，即可單側導入也可雙側導入振動能量，振動係統可采用縱向振動係統、彎曲振動係統、扭轉振動係統，扭轉振動係統因為具有良好的工藝及技術性能，實際生產中彎曲振動係統的使用最為廣泛。

（4）線焊線焊是點焊的發展，其主要是利用線狀上聲極或多個點焊聲極相互疊加，在一次焊接過程中可以形成一條直線焊縫，目前通過線焊一次可以焊出150mm長的線型焊縫。此類焊接最適用於箔片的線狀封口。

（5）塑料焊接與金屬超聲波焊接原理有所不同，塑料超聲波焊接的工作原理是利用超聲波焊接塑料時聲極的振動方向垂直於塑料工件表麵，與施加的靜壓力方向一致。焊接時彈性振動能直接在塑料工件接觸表麵轉化為熱能使界麵結合，超聲波焊接主要適用於熱塑性塑料，對於熱固性塑料則不適用。